Metrología en RF y Microondas
Ing. Alejandro Henze ahenze@ inti.gov.ar
INTI - ELECTRÓNICA e INFORMÁTICA - UTRF
Metrología en RF y Microondas
• Evolución histórica. • Avances en la actualidad. • Magnitudes y Patrones. • Trazabilidad. • ISO 17025 – Calibración vs. ensayo. • Buenas prácticas en metrología.
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• 1920-1940 • Década 40 • Década 50 • Década 60 • Década 70 • Década 80 • Década 90
Válvulas de RF Magnetron Osciloscopios Generadores de RF Analizadores de Espectro TDR – Lineas Ranuradas Analizadores de Redes Metrología de precisión Estado sólido
Memorias y procesamiento
Instrumentos digitales Integración de equipos Manejo por computadora
hasta 10 MHz 100 a 1.000 MHz hasta 10 MHz hasta 1 GHz hasta 10 GHz
hasta 20 GHz
hasta 30 GHz hasta 60 GHz hasta 110 GHz
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• En la actualidad ...
• Mediciones en sistemas coaxiles hasta 110 GHz • Mediciones en guías de onda hasta 325 GHz
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• En la actualidad ...
• Mediciones en sistemas coaxiles hasta 110 GHz • Mediciones en guías de onda hasta 325 GHz
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Magnitudes
Tensión (hasta 2 GHz) Potencia Impedancia Atenuación Ruido
Patrones
Potencia Impedancia Potencia en DC Microcalorímetros Impedancia Analizadores de Redes Vectorial + Kits de Calibración Líneas de aire (Longitud) Divisores Inductivos en BF Impedancia Generadores de ruido Temperatura Impedancia
Trazabilidad
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• ISO 17025 – Calibración vs. ensayo
Concepto histórico: Calibración = Mantenimiento + Ajustes
Manual de Service
Reemplazo de componentes y
limpieza
Obligatorio
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Ejemplo:
Osciloscopio Tektronix de 1947 (10 MHz)
Sugerencia para limpiar el fitro de aire
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Hasta la aparición de las norma ISO 25: Calibración = Performance Test
Manual de Service
1 medición por valor El equipamiento lo recomendaba el fabricante
SI Cumple Performance Test ?
Satisface las especificaciones
NO
No satisface las especificaciones
Ajuste
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En la actualidad usando la norma ISO 17025: Calibración = Medición + Incertidumbres
Procedimiento específico
• n mediciones por valor • Equipamiento calibrado
con trazabilidad
Cálculo de incertidumbres
Análisis de resultados
A cargo del
usuario
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• Buenas prácticas con conectores coaxiales
Un conector coaxial tiene: • Especificaciones eléctricas y mecánicas. • Vida útil.
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• Un conector no dura para siempre....
(excepto este)
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•Vida útil de un conector
Depende de: • Cantidad de conexiones / desconexiones. • Cuidados mecánicos en el uso.
Si un conector cumplió su vida útil:
• Degradación eléctrica
•Aumenta ROE (mayor desadaptación) •Pérdida de potencia
• Degradación mecánica
•Encarecimineto de la repetibilidad •Deformación del pin central •Deterioro general
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• Si no se cuidan los conectores, estos terminan asi...
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Cuidados mecánicos de un conector
•Inspección visual. • Limpieza. • Ajuste con llave torquimétrica. •Medición mecánica.
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Si el conector es cuidado adecuadamente, lucirá asi...
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INTI – Electrónica e Informática - UTRF
• Organigrama dentro del Centro (ex CITEI). • Actividades. • Alcances y servicios.
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Unidad Técnica Informática
Unidad Técnica Microtecnologias y
Microsistemas
Unidad Técnica Telecomunicaciones
Unidad Técnica Calibración en Radio Frecuencia
Unidad Técnica Seguridad Electrica
Unidad Técnica Industria Electrónica
Dirección
Unidad Técnica Calidad
Laboratorio
Patrones de RF y Microondas
Laboratorio
Calibraciones en RF
Unidad Técnica Instrumentacion y
Control
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Laboratorio Patrones de RF y
Microondas
Actividades:
• Mantenimiento de los Patrones de RF y Microondas. • I+D / Proyectos de nuevas técnicas en metrología de precisión en RF. • Trazabilidad al Lab. de Calibraciones en RF. •Servicios de Calibración a clientes (metrología de PRECISIÓN).
Laboratorio Calibraciones en
RF
Actividades:
•I+D / Proyectos de nuevas técnicas en metrología general en RF. •Servicios de Calibración a clientes (metrología GENERAL).
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Laboratorio de Calibración
• Alcances actuales:
• Potencia CW entre 50 MHz a 4 GHz • Modulación AM, FM, φM • Frecuencia hasta 40 GHz • Tensión en RF entre 1 MHz y 1 GHz.
• Servicios de Calibración:
• Generadores de RF
CW
modulados
• Contadores / Frecuencímetros
• Analizadores de EMI / Espectro
• Voltímetros de RF hasta 1 GHz
• Osciloscopios con BW hasta 600 MHz
• Wattímetros de RF hasta 50 W
hasta 4 GHz hasta 1 GHz hasta 40 GHz hasta 4 GHz
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Laboratorio de Calibración
• Ensayos (performance Test) de: • Banco de prueba de aviónica. Incluye:
VOR / ILS Transponder / DME
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Laboratorio de Calibración
• Banco de calibración de Osciloscopios:
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Laboratorio de Calibración
• Banco de calibración en RF:
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Laboratorio de Calibración • Alcances actuales:
• Potencia CW entre 50 MHz a 4 GHz • Modulación AM, FM, φM • Frecuencia hasta 40 GHz • Tensión en RF entre 1 MHz y 1 GHz.
• Alcances futuros 2007-2010:
• Incremento del rango de frecuencias hasta 18 GHz en calibración de generadores de RF / Analizadores de Espectro.
• Incorporación de bancos de pruebas de RADAR meteorológicos.
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Laboratorio de Patrones de RF y Microondas
• Alcances actuales (sistemas coaxiales con conector tipo N):
• Potencia 1 mW entre 50 MHz a 4 GHz • Atenuación 0 a 80 dB / 1 MHz a 4 GHz • Impedancia (módulo y fase) / 1 MHz a 4 GHz
• Servicios de Calibración (sistemas coaxiales con conector tipo N):
• Analizadores de Redes Vectoriales (VNA). • Kit de Calibración para VNA. • Sensores de potencia. • Atenuadores fijos y por pasos. • Cargas 50 Ω. • Filtros, etc.
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Laboratorio de Patrones de RF
• Banco de calibración de impedancia / atenuación:
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Laboratorio de Patrones de RF y Microondas
• Alcances actuales (sistemas coaxiales con conector tipo N):
• Potencia 1 mW entre 50 MHz a 4 GHz • Atenuación 0 a 80 dB / 1 MHz a 4 GHz • Impedancia (módulo y fase) / 1 MHz a 4 GHz
• Alcances futuros 2007-2010:
• Conector tipo N:
Extensión a 18 GHz
• Conector APC 3.5 / SMA: Calibración hasta 26,5 GHz
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Proyectos actuales en INTI - UTRF
• Desarrollo de acoplador bidireccional con tecnología LTCC de película gruesa.
• Medición de Rise Time en pulsos mediante análisis espectral.
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Desarrollo de acoplador bidireccional con tecnología LTCC de película gruesa
Características:
• Acoplamientos de 3, 6 y 10 dB @ 1 GHz • Tecnología LTCC (Low Temperature Cofired Ceramic) • Integramente desarrollado en INTI – Electrónica e Informática
Unidad Técnica Microtecnologias y
Microsistemas
Diseño y fabricación
Unidad Técnica Calibración en Radio
Frecuencia
Caracterización (medición parámetros S)
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Vista del acoplador
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Dimensiones del acoplador
1 cm
1,5 cm
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Amplitud [ V ]
Medición de Rise Time en pulsos mediante análisis espectral
Frecuencia [ MHz ]
Generador de Pulsos Patrón
Tiempo [ ps ]
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Amplitud [ V ]
• Objetivo:
Estimación de un Rise Time de 70 ps
Amplitud [ V ]
90%
Generador de Pulsos Patrón
10%
τ ≤ 70 ps
Tiempo [ ps ]
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Pasos a seguir: • Medición (módulo y fase) de las componentes armónicas en el dominio de las frecuencias. • Cálculo por Series de Fourier. • Reconstrucción de la señal en el dominio del tiempo y gráfico del flanco de subida del pulso calculado.
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Espectro de frecuencias de un pulso
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Espectro de frecuencias de un pulso
Módulo
θi = 0°
θi = 180° INTI - ELECTRÓNICA e INFORMÁTICA - UTRF
Espectro de frecuencias – Módulo (Escala logarítmica)
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Espectro de frecuencias de un pulso
Componentes armónicas a medir....
Cuántas armónicas se deben medir ?
Frec max = β / Rise Time
0,2 < β < 0,5 70 ps (70.10-12 seg.)
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Espectro de frecuencias de un pulso
Si se considera:
β = 0,35
Frec max = 0,35 / 70 ps = 5 GHz
Pero...
Frecuencia pulso = 100 kHz
Entonces ... cuántas armónicas se deben medir ?
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Cant. armónicas = 5 GHz / 100 kHz
Cant. armónicas = 50.000 !!
Si se midiera 1 armónica por minuto en jornadas de 8 horas diarias
se tardarían ... 5 meses
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Solución:
Se emplea una técnica de:
• Medición de armónicas • Muestreo de armónicas • Estimación de armónicas
Entre la 1 a la 100 Hasta la 5.000 Entre la 1.000 y la 50.000
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Medición armónicas 1 a la 100
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Medición - Armónicas 1 a la 100 Máximo relativos
Lóbulos simétricos 1 Lóbulo = 12 armónicas
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Medición - Armónicas 1 a la 1.000
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Muestreo - Armónicas 100 a la 5.000 Muestreo de máximos
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Muestreo - Armónicas 100 a la 5.000 Tendencia de máximos
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Estimación- Armónicas 100 a la 50.000
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Espectro de Frecuencias “medido”
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• Cálculo por Series de Fourier
Y(t) = A1 cos (ω1 t + θ1) + Σ An cos (ωn t + θ) 2 ≤ n ≤ 50.000
ω1 : frecuencia de la fundamental ω2 : frecuencia de la segunda armónica ω3 : frecuencia de la tercer armónica, etc.
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Pulso reconstruído – Flanco de subida
90% 10%
[ ps ]
Rise Time medido = 160 ps
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Conclusiones y aspectos a mejorar:
Probar distintas variantes de medición / muestreo / estimación. Aumentar la cantidad de armónicas. Pero está limitado por: • Tiempo insumido
• Ruido del sistema • Modulaciones residuales de AM y FM, etc. Cálculo de incertidumbres.
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Servicios que se podrá brindar:
Calibración de Rise Time de Osciloscipios hasta 1 GHz (tr = 350 ps)
Medición de pulsos de EMC con tr ≥ 1 ns
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Preguntas ?
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Ver+/-
